再造太阳：“终极能源”初现曙光？

徐乃帅

2023年1月5日，法国，建设中的ITER项目

大地被清新的绿意所覆盖，天空上是树状延伸的恢弘城市，数不清的飞行交通工具穿梭其中；地球成为了人类的理想乐土，饥饿被消灭，战争不复存在，人类将视线投向了太空；苍穹的尽头，无数庞大的战舰正在宇宙中巡航，人类的足迹早已踏遍太阳系每一个角落……

这是刘慈欣在其科幻小说《三体II：黑暗森林》中所描绘的未来图景。在那个尖端物理科技依旧被“智子”所封锁的年代，人类依靠某个“永动机”般的技术，实现了不可思议的蜕变。

这项技术，名为可控核聚变。

这是科幻作品中最经常出现的概念之一，然而距离人类首次试图去实现这一技术，迄今已有将近百年。现实与幻想的差距，仿佛是有着一个难以撼动的“永远的50年”的壁垒。

不过就在近期，随着一个重磅消息的传来，可控核聚变技术的应用，似乎终于变得不再那么遥不可及。

2023年12月29日，可控核聚变未来产业推进会在中国成都召开，由中核集团牵头成立了可控核聚变创新联合体。会上表示，今年以来，国务院国资委启动实施未来产业启航行动，明确可控核聚变领域为未来能源的唯一方向。

“唯一”一词，无疑令人充满了遐想。

20世纪50年代，科幻大师艾萨克·阿西莫夫开始了“银河帝国”系列的写作。他在其数百万字的系列作品中，构想人类开启了恢弘的星际殖民运动，建立了一个统治着2500万个行星、疆域横跨十万光年、总计数兆亿人口的庞大帝国—这几乎是科幻小说对人类命运作出的最浪漫预言。

而彼时的现实世界，二战硝烟还未散去，冷战铁幕已然拉开，世界上大部分地区都还深陷饥饿、贫困之中……在悲观的现实图景下，以阿西莫夫为代表的科幻作家们，却敏锐地捕捉到了某个关键的变量：核能。

原子弹在终结二战的同时，也向世人展示了核能的巨大潜力。当时运用可控核裂变发电的技术，已初现曙光。

写作于同一年代，科幻大师罗伯特·A.海因莱因的小说《星际迷航》中，燃料不再成为星际探索的枷锁，人类随时可以离开拥挤的地球，前往广袤的星海中遨游。

核能，当之不愧地成为了此类科幻作品最重要的“地基”。

然而现实中，从上世纪60年代到80年代，可控核裂变发电技术趋于成熟，其内在的诸多难题也逐渐浮现出来：原料稀缺、废料难以处理，其反应过程具有危险性，稍微不慎就能酿成灾祸……哪怕是直到现在，全球核电发电比例，也只达到了10%。

很自然地，理论上更安全、清洁、效益更高的可控核聚变技术，成为了如今能源领域的“圣杯”。

最重要的是，核聚变反应的原料可谓是“取之不竭”。以最容易实现的“氘氚聚变”为例，“氘”元素在海水中的储量约为7乘以10的17次方吨，“氚”则可以通过中子轰击自然界中广泛存在的“锂”元素来产生；同时，“氘氚聚变”的过程正好会释放出一个中子，可以用于生成“氚”元素。

根据爱因斯坦的质能方程式“E=mc2”，核聚变释放的能量，可达到核裂变的4倍、燃烧煤和天然气的400万倍。

在理想状态下，每秒只用消耗少于3克重量的反应原料，就能够支撑起当下全世界的发电量。而地球上反应原料的储量，即使是用量再大上几个数量级，直到50亿后太阳熄灭的那一天，都不会被耗尽。

电视剧《星际迷航：奇异新世界》剧照

2021年4月28日，安徽合肥，科研人員正在全超导托卡马克核聚变实验装置真空室安装高场侧瓦片

全球核电发电比例，也只达到了10%。

这也就意味着，可控核聚变发电技术一旦真正实现，人类将进入“无限能源”的时代，文明进程将迎来前所未有的飞跃。

届时，许多科幻小说所构想的未来图景将成为现实：人类的工业水平将获得跨越式发展，人类的生活水平将获得极大提升，所有因能源而产生的争端都将被暂时搁置，地球上的每一寸土地都将被充分利用。最终，人类的视线将投向宇宙，去拥抱那无尽的星辰大海。

而现在，抱着对美好未来的憧憬，人类正竭尽所能地去取得“圣杯”。

1985年，时任苏共中央总书记的戈尔巴乔夫向美国发出倡议，签订可控核聚变项目的合作研究协议，以减少因争夺能源可能引发的国际争端。

以此为伊始，“国际热核聚变实验堆计划”（ITER）成为了全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目。目前，项目的参与者有欧盟、美国、中国、俄罗斯、日本、韩国、印度。

ITER项目的选址，位于法国南部的一个小镇圣保罗-莱迪朗斯。来自世界各地的顶尖工程师和技术人员，鼎力合作，计划在2025年完成全球上最大的“人造太阳”实验项目的初步建设。

之所以被称为“人造太阳”，是因为核聚变的原理，和太阳内部的情况极为相似：在高温之下，氘和氚反应产生氦和中子，并释放出大量能量。另一方面来说，太阳是地球上几乎所有能源的直接或间接来源，“人造太阳”代表着人类从更多维度上获取能源的伟大尝试。

大道至简，然而再造一个“太阳”，需要鬼斧神工般的精密雕琢。

首先，核聚变需要在极端高温高压的条件下才能发生。现阶段人类无法模拟出太阳内部那样的高压环境，而在常压情况下，反应的温度需要达到1.5亿摄氏度，即太阳核心温度的10倍。

在成功达到1.5亿度的高温后，“容器”成为了最难解决的问题。在人类已知的物质中，熔点最高的也仅有4215℃。

几十年来，科学家论证、尝试了无数“容器”，确认了“托卡马克装置”是最可靠的一种方案：该装置的目标是通过制造强大的磁场，将变成“等离子体”的反应原料“磁约束”在装置内部的真空内腔中，在精密的控制下，保证反应物不会直接和“容器”接触。

而ITER正在制造的“托卡马克装置”，正是一个包含近百万个组件、总重2.3万吨的庞然大物，重量相当于3个半埃菲尔铁塔。

为了保证性能，在找到更好的超导材料之前，“托卡马克装置”外部的超导磁体需要在接近绝对零度的-270℃（液氦温度）环境下运行—相比装置内部的1.5亿度，这是真正“冰火两重天”般的温差。

毫无疑问，这将会是一个凝聚了人类文明最尖端智慧的“科技奇观”。

据推算，ITER项目估计已累计投入超过600亿欧元，是最烧钱的国际科研合作项目之一。

但在另一方面，纵然ITER被全人类寄予厚望，它也不可能不受到现实环境的影响。由于经济、政治等因素，ITER曾多次被迫延期甚至停摆。而按照ITER的目前的时间表，它需要等到2035年才能真正开始实验。

在世界经济整体低迷、区域冲突持续不断的当下，ITER项目能否在这十几年间顺利进行，实则颇为令人担忧。

值得一提的是，在ITER项目前景尚未明朗的2023年，可控核聚变技术依然取得了许多重大进展。

2023年，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）宣称，在不同于“托卡马克装置”的另一条路径上，多次实现了可控核聚变的“点火”（即实现了能量的净增益）。项目的首席女科学家安妮·克里彻凭借这一里程碑式的成就，成功入选《自然》杂志年度十大科学人物。

科学家安妮·克里彻（右）

核聚变释放的能量，可达到核裂变的4倍、燃烧煤和天然气的400万倍。

“人造太阳”代表着人类从更多维度上获取能源的伟大尝试。

新一代人造太陽“中国环流三号”

该点火装置总花费约40亿美元，包含了6万个高科技组件。许多数十吨重的设备，安装误差必须小于100微米；设备运行时需要在长达1公里的厂房内，让92门激光在1纳秒内同时发射。

2023年4月，中国的“东方超环”全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）稳态运行时间达到了403秒，突破了此前同样是它创下的101秒的纪录；几乎同时，韩国聚变能源研究院宣布，该国的托卡马克试验装置，已成功维持高达1亿度的高温等离子体达到20秒，创造了新的世界纪录。

新技术发展过程中，每一个技术细节的研究迭代、每一秒维持时间的延长，都需要人类付出超乎想象的努力。

8月，新一代人造太阳“中国环流三号”首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行。12月，负责该研究装置的核工业西南物理研究院与ITER签署协议，宣布“中国环流三号”面向全球开放，分享相关研究成果，并邀请全世界科学家来中国集智攻关。

经过这些年的追赶，中国事实上走在了全球前列。

2018年，中国聚变工程实验堆（CFETR）落地合肥，计划于2035年建成中国最大的聚变工程实验堆，并启动实验，然后于2050年实现可控核聚变的商业应用。

这个时间表，某种意义上正好和ITER形成了竞争关系。而此次可控核聚变领域，被中国确定为未来能源的唯一方向，以及可控核聚变创新联合体成立的相关消息，犹如拨云见日，给该领域的研究注入了一针强心剂。

“唯一方向”意味着，中国将发挥自身的各项优势，毫不犹豫地加大研究投入，集中力量攻克技术难关。

随着相关研究的持续推进，这两年间，不少国家纷纷推出了自己的可控核聚变研究计划，将原有的时间表大幅度提前。同时，国内外民间资本也开始关注并涌入这一崭新的“赛道”，在部分研究项目的宣传中，甚至将实现商业化可控核聚变的时间定在了2030年—其是否可靠姑且不论，从全人类发展的角度来讲，这种内卷的趋势，或依旧是一件值得鼓励的事情。

在科研领域，想找到那条正确的道路，必然要经历无数次的“试错”。因此，人类什么时候才能真正驾驭“人造太阳”，目前尚无确切的说法。但“永远的50年”这一魔咒或已破除，曙光已然显现，正如“托卡马克装置”之父、苏联物理学家阿齐莫维奇所说过的那样—

“当整个社会都需要的时候，聚变就会实现。”

责任编辑吴阳煜 wyy@nfcmag.com